計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)期末考試試題及答案

填空題從2002年以來(lái)，計(jì)算機(jī)性能年增長(zhǎng)率下降到了約30％。其主要原因是：①大功耗問(wèn)題；②可以進(jìn)一步有效地開(kāi)發(fā)指令級(jí)并行性已經(jīng)很少；③存儲(chǔ)器訪問(wèn)速度提高緩慢。1.2.可移植性是指一個(gè)軟件可以不經(jīng)修改或者只需少量修改就可以由一臺(tái)計(jì)算機(jī)移植到另一臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)可移植性常用方法有3種：系列機(jī)，模擬與仿真，統(tǒng)一高級(jí)語(yǔ)言。通用存放器型指令集構(gòu)造計(jì)算機(jī)在靈活性與提高性能方面有明顯優(yōu)勢(shì)。主要表2.達(dá)在①存放器訪問(wèn)速度比存儲(chǔ)器快；②對(duì)編譯器而言，能更加容易有效地分配與使用存放器；③存放器可以用來(lái)存放變量。MIPS數(shù)據(jù)尋址方式只有立即數(shù)尋址與偏移量尋址。3.向量處理機(jī)構(gòu)造由所采用向量處理方式?jīng)Q定。有兩種典型構(gòu)造；存儲(chǔ)器-存儲(chǔ)4.器型構(gòu)造與存放器-存放器型構(gòu)造。Cache-主存層次工作由硬件實(shí)現(xiàn)，對(duì)系統(tǒng)程序員是透明。5.降低Cache不命中率最直接方法是增加Cache容量。不過(guò)，這種方法不但會(huì)6.增加本錢(qián)，而且還可能增加命中時(shí)間，這種方法在片外Cache中用得比擬多。大多數(shù)磁盤(pán)陣列組成可以由以下兩個(gè)特征來(lái)區(qū)分：數(shù)據(jù)穿插存放粒度、冗余數(shù)7.據(jù)計(jì)算方法以及在磁盤(pán)陣列中存放方式。時(shí)延與帶寬是用來(lái)評(píng)估互連網(wǎng)絡(luò)性能兩個(gè)根本指標(biāo)。時(shí)延包括通信時(shí)延與網(wǎng)絡(luò)8.時(shí)延。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可分為SISD、SIMD、MISD與MIMD四類(lèi)，許多早期并行處理9.機(jī)是SIMD計(jì)算機(jī)，近年來(lái)，MIMD已經(jīng)成為通用多處理機(jī)系統(tǒng)構(gòu)造選擇。第1頁(yè)這是因?yàn)镸IMD具有靈活性，并且MIMD能充分利用現(xiàn)有微處理器性價(jià)比優(yōu)勢(shì)。判斷題從計(jì)算機(jī)語(yǔ)言角度，系統(tǒng)構(gòu)造把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)按功能劃分成多級(jí)層次構(gòu)造，其中，第2級(jí)是操作系統(tǒng)虛擬機(jī)，第３級(jí)是匯編語(yǔ)言虛擬機(jī)?！插e(cuò)〕計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中提高并行性3種途徑中，資源重復(fù)是在并行性概念中引入時(shí)間因素，加快硬件周轉(zhuǎn)而贏得時(shí)間?！插e(cuò)〕1.2.3.指令集構(gòu)造中采用多種尋址方式可能會(huì)增加實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度與使用這些尋址方式指令CPI?！矊?duì)〕指令條數(shù)多，通常超過(guò)200條，是設(shè)計(jì)RISC原那么之一。〔錯(cuò)〕根據(jù)流水線中各功能段之間是否有反應(yīng)回路，可把流水線分為線性流水線與非線性流水線?！矊?duì)〕4.5.在多級(jí)存儲(chǔ)體系中，“主存一輔存〞層次存儲(chǔ)管理實(shí)現(xiàn)主要由軟件實(shí)現(xiàn)。〔對(duì)〕失效率與平均訪存時(shí)間都可評(píng)價(jià)存儲(chǔ)系統(tǒng)性能，它們都與機(jī)器硬件速度有關(guān)。(錯(cuò))6.7.RAID特點(diǎn)有容量大，速度快、可靠性高，同時(shí)保存數(shù)據(jù)無(wú)冗余信息。(對(duì))在多處理機(jī)互連網(wǎng)絡(luò)中，穿插開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)屬于動(dòng)態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)。〔對(duì)〕8.9.10.機(jī)群是一種價(jià)格低廉、易于構(gòu)建、可擴(kuò)縮性極強(qiáng)并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)?！矊?duì)〕名詞解釋RISC1.精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)是一種執(zhí)行較少類(lèi)型計(jì)算機(jī)指令微處理器請(qǐng)求字優(yōu)先2.第2頁(yè)調(diào)塊時(shí)，首先向存儲(chǔ)器請(qǐng)求CPU所要請(qǐng)求字。請(qǐng)求字一旦到達(dá)，就立即送往CPU，讓CPU繼續(xù)執(zhí)行，同時(shí)從存儲(chǔ)器調(diào)入該塊其余局部。單一系統(tǒng)映像3.包含四重含義?！?〕單一系統(tǒng)。盡管系統(tǒng)中有多個(gè)處理器，用戶仍然把整個(gè)機(jī)群視為一個(gè)單一計(jì)算系統(tǒng)來(lái)使用。〔2〕單一控制。邏輯上，最終用戶或系統(tǒng)用戶使用效勞都來(lái)自機(jī)群中唯一一個(gè)位置?！?〕對(duì)稱性。用戶可以從任一個(gè)結(jié)點(diǎn)上獲得機(jī)群效勞，也就是說(shuō)，對(duì)于所有結(jié)點(diǎn)與所有用戶，除了那些具有特定訪問(wèn)權(quán)限效勞與功能外，所有機(jī)群效勞與功能都是對(duì)稱?！?〕位置透明。用戶不必了解真正提供效勞物理設(shè)備具體位置。陣列處理機(jī)4.陣列處理機(jī)也稱并行處理機(jī)(ParallelProcessor)通過(guò)重復(fù)設(shè)置大量一樣處理單元PE，將它們按一定方式互連成陣列,在單一控制部件CU控制下，對(duì)各自所分配不同數(shù)據(jù)并行執(zhí)行同一組指令規(guī)定操作，操作級(jí)并行SIMD計(jì)算機(jī)，它適用于矩陣運(yùn)算。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)計(jì)算5.一種提前計(jì)算策略只在當(dāng)某一個(gè)函數(shù)需要用到某一個(gè)自變量時(shí)才驅(qū)動(dòng)對(duì)該自變量求值操作。按需求值，是一種滯后計(jì)算策略。數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)中驅(qū)動(dòng)方式一種.簡(jiǎn)述題MIPS指令實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)通路中，操作分成了哪5個(gè)時(shí)鐘周期？對(duì)MIPS存放1.器一存放器ALU指令與store指令請(qǐng)各寫(xiě)出一條具體指令，并列出它們?cè)谠诟鱾€(gè)時(shí)鐘周期具體操作。答：5個(gè)時(shí)鐘周期：①取指令②指令譯碼/讀存放器③執(zhí)行/有效地址計(jì)算④存儲(chǔ)第3頁(yè)器訪問(wèn)/分支完成⑤寫(xiě)回簡(jiǎn)述降低Cache失效率方祛與原理。2.計(jì)算題計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中有三個(gè)部件可以改良，這三個(gè)部件部件加速比為：1.部件加速比1=30；部件加速比2=20；部件加速比3=10（1）如果部件1與部件2可改良比例均為30%，那么當(dāng)部件3可改良比例為多少時(shí)，系統(tǒng)加速比才可以到達(dá)10？（2）如果三個(gè)部件可改良比例分別為30%、30%與20%，三個(gè)部件同時(shí)改良，那么系統(tǒng)中不可加速局部執(zhí)行時(shí)間在總執(zhí)行時(shí)間中占比例是多少？解：〔1〕在多個(gè)部件可改良情況下，Amdahl定理擴(kuò)展：S1＝30，S2＝20，S3＝10，Sn＝10，F(xiàn)1＝0.3，F(xiàn)2＝0.3，得：得F3＝0.36，即部件3可改良比例為36%?！?〕設(shè)系統(tǒng)改良前執(zhí)行時(shí)間為T(mén)，那么3個(gè)部件改良前執(zhí)行時(shí)間為：〔0.3+0.3+0.2〕T=0.8T，不可改良局部執(zhí)行時(shí)間為0.2T。3個(gè)部件改良后加速比分別為S1＝30，S2＝20，S3＝10，因此3個(gè)部件改良后執(zhí)行時(shí)間為：那么系統(tǒng)中不可改良局部執(zhí)行時(shí)間在總執(zhí)行時(shí)間中占比例是：有一個(gè)5段流水線，各段執(zhí)行時(shí)間均為△2.(1)畫(huà)出流水線任務(wù)調(diào)度狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。(2)分別求出允許不等時(shí)間間隔調(diào)度與等時(shí)間間隔調(diào)度兩種最優(yōu)調(diào)度策略，以及這兩種調(diào)度策略流水線最大吞吐率。(3)假設(shè)連續(xù)輸入10個(gè)任務(wù)，求這兩種調(diào)度策略流水線實(shí)際吞吐率與加速比。第4頁(yè)解：〔1〕根據(jù)初始沖突向量構(gòu)成方法，對(duì)預(yù)約表各行中打“×〞拍數(shù)求出差值，除去重復(fù)后聚集在一起，即得到延遲制止表為F=｛1，3，6｝。由F可得到初始沖突向量為：C0=〔100101〕根據(jù)后繼沖突向量遞推規(guī)那么Cj=SHR〔k〕〔Ci〕∨C0那么可得出所有后繼狀態(tài)，具體有：C0三個(gè)后繼狀態(tài)：C1=SHR〔2〕〔C0〕∨C0=101101100101C2=SHR〔4〕〔C0〕∨C0=100111C3=SHR〔5〕〔C0〕∨C0=100101=C025455C1二個(gè)后繼狀態(tài)：C4=SHR〔2〕〔C1〕∨C0=101111100111101101C5=SHR〔5〕〔C1〕∨C0=100101=C05C2二個(gè)后繼狀態(tài)：C6=SHR〔4〕〔C2〕∨C0=100111=C224C7=SHR〔5〕〔C2〕∨C0=100101=C0101111C4一個(gè)后繼狀態(tài)：C8=SHR〔5〕〔C4〕∨C0=100101=C0由后繼狀態(tài)與引起狀態(tài)轉(zhuǎn)移時(shí)間間隔可得到狀態(tài)有向圖如上圖所示。（2）由狀態(tài)轉(zhuǎn)移有向圖可得到無(wú)沖突任務(wù)調(diào)度策略及其平均延遲時(shí)間，如下表所示。第5頁(yè)調(diào)度策略平均延遲時(shí)間特別地，從調(diào)度策略，除第個(gè)環(huán)路，該調(diào)度延遲時(shí)間最小等[4，〔4〕]與〔2，間為4△t與3△t，C0出發(fā)[4，〔4〕]也是一個(gè)任務(wù)〔2，5〕〔2+5〕△t/2=3.5△t一條有向弧外，第二條有向弧是一〔4，5〕〔4+5〕△t/2=4.5△t策略為〔4〕。從表中可以得到平均〔5〕5△t間隔與不等間隔調(diào)度策略為〔2，2，5〕〔2+2+5〕△t/3=3△t2，5〕，相應(yīng)最小平均延遲時(shí)4，〔4〕4△t所以流水線最大吞吐率為：TPAmax=1/〔4△t△tTPBmax=1/〔3△t△t〔3〕按等間隔最優(yōu)調(diào)度策略[4，〔4〕]連續(xù)輸入10個(gè)任務(wù)時(shí)，流水線實(shí)際吞吐率為